Transcript States of matters 物質之狀態

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matters
物質之狀態
物質三態
• 氣態,液態及固態
• 氣態
不對稱分子常表現中間相(第四相),
性質介於固態和液態間,即為液晶態
(liquid crystalline state)
– 由於快速及劇烈之碰撞,分子氣體之運動無一定路徑,相
撞及撞及器壁因而產生壓力
– 壓力為每單位面積之作用力
• dyne/cm2
• atm
• mmHg
– 理想氣體定律PV=nRT
氣體無固定體積,氣體之體積與溫度及壓力有關
• 液態
– 當氣體冷卻時,會以熱的方式失去部分動能,分
子的速度降低,若施以壓力,氣體分子會產生凡
得瓦力而進入液態
– 因此由氣體轉變成液體或液體轉變成固體,與溫
度及壓力有關
– 當溫度充分提升,會達到不論壓力為何氣體均無
法液化,此溫度稱為臨界溫度(critical
temperature),在臨界溫度時使氣體液化所需
的壓力稱為臨界壓力,即是氣體之最高蒸氣壓
– 臨界溫度可粗略估計分子間吸引力
– 水因分子間強偶極力,由其氫鍵之存在,有高臨
界溫度;氦只有倫敦力之吸引,因此需冷卻到極
低溫度(5.2 °K)才可液化,在此溫度以上,氦無
論壓力多大,都保持氣態
• 水:臨界溫度374 ℃或647 °K,臨界壓力218atm
• 氦:臨界溫度5.2 °K,臨界壓力2.26atm
– 在臨界溫度以下,氣體溫度越低,液化所需壓力
越小,所有氣體均可被液化
– 噴霧劑(Aerosol):
• 氣體(推動劑)加壓液化成液體存於容器中
• 藥品溶解或懸浮於液體
• 當壓下活門,壓力減低,分子膨脹使推動劑變成氣體,
藥品與推動劑之混合物一起噴出,藥品形成微細的霧
滴,推動劑則揮發
• 常用推動劑:氟化碳氫化合物,氮氣或二氧化碳
• 固態
– 構成晶體基本結構單元可為原子,分子或離子, 藉著分子間,原子間,
或離子力緊靠在一起,結構單元會排列成固定幾何形式或晶格,結晶
性固體如冰,氯化鈉(NaCl),薄荷醇(menthol)等
• 氯化鈉由鈉離子和氯離子交互組成之立方晶格,晶體之結合力量為相
反電核之離子間之靜電引力
• 鑽石及石磨則由共價鍵結合之原子組成
• 有機化合物中,分子間凡得瓦力及氫鍵
– 熔點:固體幾乎不可壓縮,有一定熔點,當溫度升高,粒子可獲足夠能
量打破晶格變成液體
• 離子和原子所成之晶體通常脆而硬,熔點高,分子所成之晶體則軟而熔
點低
– 熔解熱:增加晶體原子間或分子間距離使熔化作用產生所需的熱
– 高蒸氣壓的固體如碘和樟腦,直接由固態便成氣態,不經熔化,稱昇
華
– 同質多晶型(polymorphism):
• 物質以多種結晶形式存在者稱之,如碳,硫,可可脂
(cocoa butter, Thebroma oil)
• 具不同熔點,X-ray繞射形式,溶解度
• 幾乎所有長鏈有機化合物均有同質多晶型現象
– 脂肪酸之carboxyl group與鄰近分子基團以不同形式結
合
– 甘油三酯與三硬脂酸甘酯會由低熔點之α型轉變成高熔點
且穩定之β型,此為不可逆
– 可可脂為一種多晶型之天然脂肪,主要由一甘油酯組成,在
34-36℃熔化,有四種晶型, α型(22 ℃熔化), 主要的β型
(28 ℃熔化), 穩定的β型(34.5 ℃熔化), γ型(18℃熔化)
Ps:
– 若可可脂加熱至完全液化(35 ℃) →穩定晶核
破壞不再成結晶態→冷卻至約15 ℃ →形成介
穩態之γ , α ,β 型→所製成之栓劑在23-24 ℃
或室溫下熔解
– 可可脂以最低溫融化(33 ℃) →穩定β 型晶核
→模型中冷卻→所製成之栓劑在34.5 ℃熔解
• Spiperone (精神分裂
症用藥):側練空間伸展
方式不同
– 晶體內結構II以二元狀
態結合而成,即分子成
對結合
– 晶體內結構I以一元狀
態結合而成,即分子不
成對結合
• Haloperidol,Bromperidol(精神分裂症用藥):分子間凡得瓦
力及氫鍵強弱差異
• Sulfonamide(抗生素):氫鍵強弱差異
• Tamoxifen citrate (抗雌激素,抗癌)
Ps:Ethinylestradiol(雌激素)曾有報告指出有七種同質多晶型,
後鑑定為媒合作用(solvation)形成之媒合物(solvate),媒合
物亦稱為假同質多晶型(pseudopolymorphism)
• Carbamazepine (癲癇)
分子間的結合力
• 欲使分子能以氣態、液態、固態等狀態聚
集在一起,分子間必須有相互作用力(斥力與
引力)
– 當分子靠近時,兩分子的相反電荷比相同電荷距
離近,使分子吸引
– 當太接近而使外測電子雲相碰觸,則分子彼此排
斥,如同兩個球彈性碰撞一般
– 要使分子內聚需引力,要使分子不互相穿透需斥
力
淨能量
• 斥力隨分子間距離減少,
呈指數增加,在某平衡距
離(約3或4×10-8cm),斥
力與引力相等,此時兩分
子間位能最小,系統最穩
定
斥力
變化快
引力
與r6成正比
各種分子間引力
• 凡得瓦力(Van der Waals forces)
– 偶極-偶極力:偶極分子常與鄰近分子排列成行,
使一個分子的負極與另一分子的正極連接,因此
一大群分子以很弱的引力相連結,稱為偶極-偶
極力(dipole-dipole forces)
偶極-感應偶極(dipole-induced dipole):
– 倫敦力:非極性物質、氫氣、四氯化碳、苯藉由
永久性偶極可使非極性分子產生電偶極,稱偶極-感應偶極
弱靜電子相吸引,當分子彼此非常接近時,倫敦
力(London force)足以使非極性氣體分子凝聚
感應偶極-感應偶極(induced
dipole-induced dipole):
形成液體或固體
非極性分子可利用感應偶極-感應偶極吸引
• 離子-偶極(Ion-dipole)與離子-感應偶極
(Ion-induced dipole)
– 離子性晶體物質在水中溶解時,陽離子會吸引水
分子帶負電之氧離子,而陰離子吸引偶極水分子
之氫原子
– Ex:碘錯合物之生成
I2+ K+I- → K+I3- (於水中產生離子-感應
偶極而易溶解)
分子間
• 氫鍵(Hydrogen bond)
– 含氫原子的分子與一個強
陰電性的原子(如氟、氧、
氮)間的相互作用
– 因氫原子很小,而其靜電場
很大,故可移近強陰電性的
原子而形成一種靜電形式
的結合,稱為氫鍵或氫橋
– 分子間與分子內均可能形
成氫鍵
分子
間
分子內
分子間作用力及價鍵
小
大
相平衡與相律
• 相(phase):一個系統中狀態分明的一個均
質部份,與系統其他部分以交界面互相隔離
– 水/水蒸氣:兩相系
– 冰/水/水蒸氣:三相系
– 生理食鹽水溶液:單相系
– 懸浮液:兩相系
– 乳液:兩相系
– 軟膏:兩相系
• 相律(phase rule)
– 由J.Willard Gibbs提出
– 關於自變數(如溫度,壓力,濃度等)對有若干成
分之若干相(固體,液體,氣體)在平衡時之影響
F=C-P+2
– F:系統自由度 (number of degrees of freedom)
• 要描述一系統時,所用之內涵變數(如溫度,壓力,濃度,折射率,密度,黏
度等)的最小數
• 即:要將系統狀態固定下來,需要用到的變數的最小數
– C:系統中成份數(number of components)
• 一平衡系中每一相所含之成分之數目,利用化學式或反應式來看
• 例:水,冰,水蒸氣,成分均為H2O, 因此C=1
• 例:CaCO3→CaO+CO2 ,每一相可能含有其中兩成份達平衡, 因此
C=2
– P:系統中相數(phase)
• 系統中狀態分明的部分,與其他部分以交界面互相隔離
• 例:水,冰,水蒸氣,為三相系,因此P=3
• 例:某液體及水蒸氣互相平衡之系統,此時F=1
• 若固定溫度,則此系統性狀就固定(因為在特定溫度
下,液體和氣體共存之壓力也固定了)
• 算法:
F=C-P+2
• F=1 - 2 + 2 = 1
單
成
份
兩
相
單成分系(systems containing
one component)
OB:熔點曲線
•此區線上各處,固
體與液體平衡
•曲線斜率為負值,
表示水的冰點隨壓
力增加而下降
OC:昇華曲線
•此區線上各處,固
體與蒸氣平衡
OA:蒸氣壓曲線
•此區線上各處,液體與
氣體平衡
•下限為三相點
(0.0098℃),此溫度三
態平衡,三態有相同蒸氣
壓
•上限為臨界溫度(水為
374 ℃)
液
固
氣
溫度固定t3,水處於
三相點以下,壓力增
加,水蒸氣會先變成
冰,冰再變成液態水
溫度固定t1,水處於臨
界溫度以上,無論壓
力多少,都保持氣態
溫度固定t2,水處於臨
界溫度以下,壓力增
加,水蒸氣會變成液
態水
摘自物理藥劑學(陳瑞龍,宋國峻,劉正雄教授譯
(原著Alfred Martin, Ph.D., Pilar Bustamante, Ph.D., A.H.C.Chun, Ph.D.)
相律在單成分系統之應用
任一相單獨存在的部份,自由度是2,
所以必須限定兩個狀況,即溫度和壓
力,才能完全描述一個系統
單相
兩相
三相
任兩相共存的曲線(OA,OB,OC),自
由度是1,所以只需限定一個狀況,就
可描述一個系統,例如100 ℃時同時
含有液態水及水蒸氣,不需再界定壓
力,因為此時壓力必為760mmHg
三相點,冰,液態水及水蒸氣互相平
衡,F=0
對不含空氣的水而言,三相點的溫度為
0.0098 ℃,若為含飽和空氣的液態水與
冰在總壓1atm下平衡的溫度,則為0 ℃
摘自物理藥劑學(陳瑞龍,宋國峻,劉正雄教授譯
稱冰點
(原著Alfred Martin, Ph.D., Pilar Bustamante, Ph.D., A.H.C.Chun, Ph.D.)
凝結系(condensed system)
• 若此系統為單成分系,自由度最多為2,因為
只有一相,則F=1-1+2=2
• 兩成分系,自由度最多為3,即溫度,壓力和濃
度,為表示之需用三維圖而非平面圖
• 但一般狀態下只考慮液相和(或)固相,通常
忽略蒸氣相而在1atm下運作,因此可減少F,
只剩兩個變數(溫度和濃度)
• 忽略蒸氣相只考慮固相及(或)液相的情況,
稱為凝結系 因此只要考慮兩個變數(溫度和濃度)
含有兩液相的兩成分系:
• 依任何比例互溶:乙醇和水(互溶成單相系)
• 皆不互溶:汞和水(不互溶成兩相系)
• 部份互溶:如酚和水組成之凝集系統(視添加
量可能為單相系或兩相系)
– 100%水→慢慢加入酚→單一以水為主的液相
(水中含酚)
– 再加入酚→上層為水層(含酚),下層為酚層(含
水)
– 再加入酚→單一以酚為主之液相(酚中含水)
a點為50℃時
含100%水的
系統
慢慢加入酚,可
得以水為主的
單一液相(水中
含酚)
•b點:出現微量的
第二相,此時酚的
濃度為11%,若
分析下層,則酚在
水中的重量百分
率為63% ,可用c
點表示
[上層為水層(含
酚),下層為酚層
(含水)]
兩相區域能存在之最
高溫度為臨界溶解溫
度,高於此溫度則兩
者自由互溶成單相系
11
24
63
超過c點,即50℃下酚的濃度
超過63%,則出現單一以酚為
主之液相(酚中含水)
直線bc橫跨兩相區稱連結線,
連結線上各處之各點,所分出
的兩相都有固定組成,稱共軛
相,例如d點(24%酚),平衡時
試管有兩個液相,上層A為含
11%酚的水(水多)(b點),下
層B為含63%的酚(酚多)(c
點), 酚的密度大於水,所以A
在上層B在下層,(A相重
量):(B相重量)=(dc長
度):(bd長度)=(6324):(24-11)=3:1
•直線bc橫跨兩相區稱連結
線,連結線上各處之各點,所
分出的兩相都有固定組成,
稱共軛相,
•例如d點(24%酚),平衡時
試管有兩個液相:
•b點:出現微量的
第二相,此時酚的
濃度為11%,若
分析下層,則酚在
水中的重量百分
率為63% ,可用c
點表示
[上層為水層(含 11
酚),下層為酚層
(含水)]
酚的比例:
上層A為水層:含11%酚,
下層B為酚層:含63%酚
24
63
A與B的重量比例:
(A相重量):(B相重量)
=(dc長度):(bd長度)
=(63-24):(24-11)
=3:1
則對d點系統而言,
A相重量 dc長度 3


B相重量 bd長度 1
每10g液體就有7.5g的A相和2.5 g的B相
驗證 :
若以24g酚和 76g水混合在加熱到50C (d點)
可得75gA相(含11%酚 )和 25gB相(含 63%酚 )
所以A相含有酚7511%  8.25g
B相含有酚25 63%  15.75g
共 24g
3:1
=75g:25g
例 : 若製備50%的酚( f點)
A相重量 fc長度 63  50 1



B相重量 bf長度 50  11 3
則每10g液體就有2.5 g的A相和7.5 g的B相
而其中A相(含11%酚 ) B相(含 63%酚 )
含有固相和液相之兩成分系統:
共熔混合物(eutectic mixture)
共熔點:三相
(固態salol,
固態thymol,
液態)共存,
F=2-3+1
=0
凝結系:忽略氣相
F=C-P+1
包含固體
salol和一個
共軛液相之
區域
包含固體thymol和一
個共軛液相平衡之區域
單一液相區
X1 25℃: 由液相a1 (含
53%thymol)和固體b1(純固
體thymol )組成, 重量比a1:
b1=(100-60):(6053)=5.71:1
X2 20℃: 由液相a2 (含
45%thymol)和固體b2(純固
體thymol )組成, 重量比a2:
b2=2.67:1
X3 15 ℃:重量比a3:
b3=1.74:1
45
53
13℃以下,液相全部
消失,兩成份均為純
固體之區域
摘自物理藥劑學(陳瑞龍,宋國峻,劉正雄教授譯
(原著Alfred Martin, Ph.D., Pilar Bustamante, Ph.D., A.H.C.Chun, Ph.D.)
固體分散系(solid dispersion)
• 每一固相包含兩種成分,也就是一固體溶質溶解於
一固態溶劑中形成之混合晶體
• 共熔系統亦為固體分散系之ㄧ種
• 應用:
– 將溶解度差的藥品,與一個能自由溶解之載體(carrier)
結合,幫助難溶性藥物溶解,可提高生體可用率
– 優點:
• 可將粒子體積減少到不能再以傳統磨細法再細分之程度,增加
溶解速率
• 增加物質溼潤度,減少聚集及結塊程度
• 應用水溶性媒體增加對水之溶解度
三成份系統之相平衡
• 如含有三種成分而只成一個相(非凝結系),
則F=3-1+2=4,這四個自由度分別為溫度,
壓力,及其中兩種成分之濃度(另一成分之濃
度可由全部減去兩種成分之濃度得知)
• 若此系統為凝結系而溫度固定,則F=2
30%C
直線AB代表A和B
兩組成混合物之狀
態
Y點代表50%A與
50%B之混合物
15%B
熱分析
• 物質在溫度變化時產生許多物理化學效應,將一檢
品加熱或冷卻,用來檢測此效應之方法,稱為熱分
析法(thermal analysis)
• 常用熱分析法
– 示差掃描熱分析法(differential scanning
calorimetry, DSC)
– 熱差分析法(differential thermal analysis, DTA)
– 熱重量分析法(thermogravimetric analysis, TGA)
– 熱機械分析法(thermochemical analysis, TMA)
重量隨溫度變化之性質
• 應用:
– 描述及鑑定化合物之性質
– 純度
– 同質多晶型
– 溶劑與水分含量
– 安定性
– 賦形劑之相容性
兩者溫度差以熱電偶監測
將溫度差對時間作圖即得熱分析圖
為定性及半定量之方法
當任一方有溫度差出現,
各有第二個溫度迴路來提供熱量,
以制衡溫度差並維持相同溫度
將熱差(dH/dt)紀錄得熱分析圖
藥學上之應用很多
Differential scanning calorimetry thermal
analysis ( DTA and DSC)
•
•
Sample size: only 2-5 mg
Differential thermal analysis (DTA)
–
•
Measures the temperature difference between
the sample and a reference as a function of
temperature or time when heating at a constant
rate
Differential scanning calorimetry (DSC)
–
measures the amount of energy required to keep
the sample at the same temperature as the
reference, i.e. it measures the enthalpy of
transition.
Fig. Schematic differential scanning
calorimeter thermogram
熔融
吸熱
結晶
放熱
熔點